T91钢焊缝及热影响区显微组织图象分析

王　娟，李亚江，周　冰

(山东大学材料科学与工程学院，山东济南 250061)

摘　要：T91钢具有良好的高温抗氧化性和抗腐蚀性，该钢含8%～9.5%Cr，合金含量复杂，焊接难度大。运用金相显微镜和扫描电镜(SEM)分析了不同焊接工艺条件下T91耐热钢焊缝及热影响区各区域显微组织特征，利用XQF-2000型显微图象分析仪对显微组织中各相的相对含量和奥氏体晶粒度进行了测量，分析了焊接线能量对T91钢焊接接头区组织性能的影响。结果表明，采用多道焊焊接工艺，严格控制焊接线能量在16kJ/cm左右，可以防止T91钢焊缝区奥氏体晶粒粗大，避免在热影响区出现块状铁素体组织，从而保证焊接接头区具有良好的组织性能。

关键词：T91钢；焊接接头区；显微组织；图象分析

T91钢是近年来发展起来的新型马氏体耐热钢，具有较高的持久强度，良好的高温抗氧化性和抗腐蚀性等，广泛应用于电力、石化等产业部门。该钢含w(Cr)为8% ~9。5%，含w(Mo)为0.85%～1.05%，并含有V、Nb、N等，合金含量复杂，焊接难度大，其焊接问题受到国内外研究者的普遍关注。目前，国外通过焊接热模拟试验对该钢焊接热影响区抗裂性及强韧性作了一系列研究[1~3]，国内也有关于T91钢焊接区显微组织的研究报道[ 4，5]，但都是采用传统的金相方法进行定性分析。随着科学技术的发展，计算机技术广泛应用于焊接领域，利用计算机对复杂的焊接区显微组织进行多视场定量分析，可以减少人为因素对测量结果的影响，定量说明焊接工艺与T91钢焊接接头区组织性能的关系。

本文运用金相显微镜和扫描电镜(SEM)分析不同焊接工艺条件下T91钢焊接接头各区域的显微组织特征，并利用XQF-2000型显微图象分析仪对显微组织的相对含量和奥氏体晶粒度进行测量，这对于准确判定T91钢焊接接头区组织和性能之间的关系、合理确定最佳工艺参数和进一步提高焊接质量具有重要的意义。

1　试验材料及设备

　　试验母材为T91钢管，规格为Φ63 mm×5mm，供应状态为1 040℃正火+780℃回火，其化学成分和力学性能见表1。采用钨极氩弧焊打底+手工电弧焊盖面工艺进行焊接，接头处开60°～70°V型坡口，钢管内充氩气保护，打底层采用单面焊双面成型工艺，采用大(20.7 kJ/cm)、中(16.4 kJ/cm)、小(8.1 kJ/cm)三种焊接线能量施焊。为使焊缝金属具有较高的抗裂性，焊接材料选用德国Thyssen Chromo 9V焊条和TGS-9cb焊丝，其化学成分见表1。

焊后在焊接接头区切取试样，制备成一系列的金相试样。用3%~～%的硝酸酒精溶液对焊缝及热影响区进行腐蚀，腐蚀时间为50～60 min，并且每隔10 min添加一次腐蚀液。采用XQF-2000型显微图象分析仪对用不同焊接工艺和不同焊接线能量焊成的T91钢焊接接头区显微组织进行分析。系统组成如图1所示。

图1　显微图象分析仪系统的基本组成

　　处理图象前，先通过CCD摄像镜头将显微图象数字化，然后根据数字图象中需测量特征的灰度值设定灰度范围。对于数字图象中任何一个象素点，若在此灰度范围之内，则用一种彩色来代替它原来的灰度；若在灰度范围之外，则保持其灰度值不变，这样就可以把从0~255共256个灰度等级转换成对应的伪彩色，使灰度很接近的细节和周围环境易于识别，有利于计算机进行准确测量。对显微组织相对含量进行测定时，计算机根据每种颜色代表的组织占整个视场的百分比进行计算。

2　试验结果和分析

2.1　T91钢焊接区显微组织相对含量的测量

T91钢焊缝组织经历了极短暂的熔化、结晶和快速冷却后获得奥氏体(A)主体组织，通过扫描电镜观察到，在奥氏体晶内有紧密排列的隐针马氏体组织(见图2)，在原有奥氏体边界分布着少量的δ铁素体(F)。尽管T91钢碳含量较低，但透镜分析结果表明该钢中仍有微量碳化物(MC)存在[6]。表2列出了T91焊缝中各显微组织的相对含量，其中A的含量也包括隐针马氏体(My)在内。从表2可以看出，焊接线能量为8.1 kJ/cm和20.7 kJ/cm时焊缝主体组织是晶内含有隐针马氏体的奥氏体，其含量约为92%。但随着焊接线能量的增加，碳化物逐渐增多，这是由于焊接热输入越大，奥氏体晶粒生长速度越快，碳化物在奥氏体边界聚集的结果。采用多道焊焊接工艺，其组织的相对含量与中等焊接线能量(E=16.4 kJ/cm)时较为相近，其主体组织为奥氏体+δ铁素体，使韧脆转变温度有所降低，有利于提高焊缝的韧性[7]。

图2　T91钢焊缝金属的显微组织特征

(a)金相照片　　　　　　　　　(b) SEM

在金相显微镜下观察，T91钢焊接熔合区组织很不均匀。其中靠近焊缝一侧组织仍保持原有的奥氏体边界，在奥氏体晶界处有δ铁素体析出，内部存在少量的珠光体；而靠近过热区一侧，没有明显的奥氏体晶界，组织主要为粒状珠光体(P)，如图3(a)所示。不同焊接线能量下熔合区组织的相对含量测量结果列于表3。

图3　T91钢熔合区及热影响区的显微组织

(a)熔合区　　　　　　(b)热影响区

T91钢焊接热影响区显微组织主要由晶粒细小的索氏体(S)、块状铁素体(F)和少量珠光体(P)组成，如图3(b)所示，其相对含量列于表4。结果表明，焊接线能量越大，奥氏体冷却后得到的索氏体含量越多，但块状铁素体的含量也会随着焊接热输入的增加而增多，降低了焊接接头的抗裂性能，恶化其韧性[8]。但焊接线能量过小，热影响区中珠光体来不及转变成索氏体，也会影响焊接热影响区的力学性能。 

2.2　T91钢焊接区晶粒度的测量

在焊接过程中受焊接热循环峰值温度的影响，T91钢焊缝及热影响区各区域晶粒尺寸大小不一，导致组织性能有很大差异。根据GB6394-86规定的晶粒度级别，利用显微图象分析仪采用截线法对不同焊接线能量下的焊缝、熔合区、热影响区粗晶区、细晶区和不完全相变区的晶粒度进行了测量(结果如图4所示)，并根据公式d2=1/2n+3(d为晶粒直径；n为晶粒度级别)换算成相应的晶粒直径[9]。焊接工艺参数对奥氏体晶粒直径的影响如图5所示。

图4　不同焊接工艺下T91钢焊接区各区域晶粒度

图5　焊接工艺参数对奥氏体晶粒尺寸(d)的影响

由图4和图5可以看出，采用不同的焊接线能量，奥氏体晶粒尺寸在焊缝区差异最大，当焊接线能量为8。1kJ/cm时，奥氏体晶粒尺寸为90.2μm；焊接线能量为20.7 kJ/cm时，奥氏体晶粒尺寸高达166μm，此外，采用多道焊焊接工艺时，奥氏体晶粒直径最小为63μm。在熔合区、热影响区粗晶区、细晶区和不完全相变区，奥氏体晶粒直径随焊接线能量变化不大；采用多道焊和焊接线能量为16.4 kJ/cm时，二者奥氏体晶粒直径基本相同，只是在焊缝和热影响区粗晶区，多道焊得到的奥氏体晶粒直径较小。因此，为保证T91钢焊接接头处具有良好的综合性能，选用多层焊控制焊接线能量(E)约为16 kJ/cm是有利的。

3　结　论

　　(1)采用钨极氩弧焊打底+手工电弧焊盖面工艺进行焊接，T91钢焊缝主要由奥氏体(包含有隐针马氏体)和δ铁素体组成，并且随着焊接线能量的增加，δ铁素体含量逐渐升高。当焊接线能量过大时(E=20.7 kJ/cm)，有少量碳化物在奥氏体边界聚集长大，不利于焊缝的高温强韧性；在熔合区靠近焊接热影响区一侧有粒状珠光体组织存在。

　　(2) T91钢热影响区奥氏体晶粒直径几乎不受焊接线能量的影响，但当焊接线能量由8.1 kJ/cm提高到20.7 kJ/cm时，T91钢焊接热影响区过热区主体组织由索氏体+珠光体变为索氏体+铁素体，对韧性有不利影响。考虑到焊接线能量太小，珠光体来不及转变成索氏体，为减小块状铁素体的含量，获得综合性能良好的索氏体，必须严格控制焊接线能量在16 kJ/cm左右。

　　(3) T91钢焊缝区奥氏体晶粒直径因焊接线能量的变化有很大差异，当焊接线能量为20.7 kJ/cm时，奥氏体晶粒直径高达166μm，因此采用多层焊焊接工艺，适当控制焊接线能量，可以使焊缝奥氏体晶粒细化，保证具有较高的强韧性。